Thermochemische Wasserstoffherstellung - Biowasserstoff

Thermochemische
Wasserstoffherstellung aus Biomasse
zur größtmöglichen Steigerung der
Effizienz der energetischen
Biomassenutzung
Beispiel: Zuckerrohranbau1
Schülerwettbewerb der Siemens Stiftung
„Energie-Genies der Zukunft - Ideen für mehr Effizienz“
Autoren: Fabian Braun, Markus Kaiser, Kai Hippler
Betreuende Lehrkraft: Herr Oliver Frühwein, Einhard-Gymnasium Aachen
1
Bildquelle: wikimedia.org unter: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Culltura_cana-de-açucar_REFON_.jpg
(22.12.2009).
1
1. Abstract
Die Arbeit „Thermochemische Wasserstoffherstellung aus Biomasse zur größtmöglichen Steigerung der Effizienz der energetischen Biomassenutzung“, verfasst von
Fabian Braun, Markus Kaiser und Kai Hippler von November 2009 bis Januar 2010,
beschäftigt sich mit der Frage, wie Biomasse innerhalb des Energiesystems am effizientesten in Nutzenergie umgesetzt werden kann.
Der Fokus der Arbeit liegt auf dem Verfahren der thermochemischen Wasserstoffherstellung aus Biomasse. Dieses Verfahren wird im Bezug auf Funktionsweise, Wirkungsgrad und Potential, sowie auf mögliche Einbindungsszenarien in das Energiesystem untersucht und mit etablierten bzw. bekannten Methoden der energetischen
Biomassenutzung verglichen. Das Ziel der Arbeit ist es, auf der Basis dieser Informationen zu bewerten, ob die thermochemische Wasserstoffherstellung den erstrebenswertesten Weg darstellt, Biomasse energetisch zu nutzen. Wie sich aus den
erarbeiteten Daten schließen lässt, ist Biowasserstoff durch seine Überlegenheit an
Effizienz und Potential und seine vielfältige Verwendungsmöglichkeit den herkömmlichen Methoden, Biomasse zu verwerten, deutlich überlegen. Daraus ergibt sich die
Konsequenz, dass jede für energetische Zwecke verfügbare Biomasse über die Option Biowasserstoff genutzt werden sollte.
2
Inhaltsverzeichnis
1. Abstract ................................................................................................................ 2
2. Einleitung und Ausgangssituation ........................................................................ 7
3. Energetische Nutzung von Biomasse heute ........................................................ 7
I.
Biogas ............................................................................................................... 7
II.
Rapsdiesel..................................................................................................... 8
III.
Bioethanol ..................................................................................................... 8
IV.
Biomasseverbrennung................................................................................... 8
V.
BtL-Kraftstoff ................................................................................................. 9
4. Problemskizze und Lösungsansatz ...................................................................... 9
5. Lösungsweg - Biowasserstoff ............................................................................ 10
VI.
Dampfreformierung von Biomasse zur Wasserstoffherstellung ................... 10
VII.
Autothermer Wirbelschichtvergasungsreaktor ............................................. 13
VIII.
Effizienz.................................................................................................... 14
IX.
Potential ...................................................................................................... 17
X.
Wirtschaftlichkeit.......................................................................................... 19
XI.
Referenzanlage in Güssing ......................................................................... 19
XII.
Möglichkeiten der Wasserstoffnutzung ........................................................ 20
6. Ergebnis ............................................................................................................. 23
XIII.
Vergleich von Biowasserstoff und konventioneller Biomassenutzung ...... 23
XIV.
Fazit und Ausblick .................................................................................... 24
7. Literaturverzeichnis ............................................................................................ 25
3
Abkürzungen und Glossar
Abkürzung
Erläuterung
atro
absolut trocken
BHKW
Brenn-Heiz-Kraftwerk
BMU
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
BtL
Biomass to Liquid – Verflüssigung von Biomasse zur Kraftstoffgewinnung,
auch FT-Treibstoff genannt.
BZ, FC
Brennstoffzelle(n), fuel cell
CCS
Carbon Capture&Storage – Kohlenstoffabtrennung und
-speicherung zur Vermeidung von Treibhausgasemissionen.
DLR
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
DWV
Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband
EEE
Europäische Zentrum für erneuerbare Energie
EEG
Erneuerbare-Energien-Gesetz
EVU
Energieversorgungsunternehmen
FZJ
Forschungszentrum Jülich
FZK
Forschungszentrum Karlsruhe
IPHE
International Partnership for the Hydrogen Economy
KKW
Kraftwärmekopplung
NawaRo
Nachwachsende Rohstoffe
NHA
National Hydrogen Association
TM
Trockenmasse
Begriff
Erläuterung
anaerob
Lebewesen, die für ihren Atemprozess keinen Sauerstoff (O 2) benötigen,
bezeichnet man als anaerob.
autotherm
Bezeichnung für chemische Prozesse, bei denen eine endo- und exotherme
Reaktion gleichzeitig ablaufen, so dass der Prozess von äußerer Wärmezufuhr unabhängig ist.
Biowasserstoff
Wasserstoff, der aus Biomasse hergestellt wurde.
FT-Synthese
Fischer-Tropsch-Synthese: Verfahren zur Herstellung flüssiger Kraftstoffe
aus festen Kohlenwasserstoffen (z.B. Biomasse, Kohle), FT-Treibstoff oder
4
BtL genannt.
Konventionelle
Heute verbreitete bzw. bekannte Methoden zur energetischen Nutzung von
Biomassenutzung
Biomasse, die zum Großteil im 3. Teil dieser Arbeit erläutert werden (Biogas, Biotreibstoff der 1. und 2. Generation).
Vergasung
Chemischer Prozess bei dem ein fester oder flüssiger Stoff in einen gasförmigen umgewandelt wird.
Die Vergasung ist sehr ähnlich zur Verbrennung, findet jedoch bei Sauerstoffmangel statt.
Wirkungsgrad
Angaben über den Wirkungsgrad sind sofern nicht anders vermerkt auf den
Gesamtprozesses und auf den Heizwert des eingesetzten Stoffes bezogen.
Abbildungsverzeichnis
Seite
Abbildung 1: Gleichgewichtskurven bei Kohlenstoffvergasung
12
Abbildung 2: Thermochemische Wasserstoffherstellung
13
Abbildung 3: Autothermer Steam-Reformer
14
Abbildung 4: Flow Sheet der H2Patent GmbH
17
Abbildung 5: Biowasserstoff statt Öl und Gas
18
Abbildung 6: Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen
20
Abbildung 7: Energieverbrauch im Vergleich
24
5
Vorwort
Wir bedanken uns vielmals für die persönlichen Auskünfte und Informationen
von
Michael Anton, Hayo Sieckmann, Dr. Ing. Wolfgang Wendel, Dip. Ing. Karl-Heinz
Tetzlaff und Prof. Dr.-Ing. Markus Schröder.
Außerdem bedanken wir uns für Selbiges bei der
H2Patent GmbH
und der
Tuttahs & Meyer Ingenieurgesellschaft für Wasser;
Abwasser und- Abfallwirtschaft mbH.
6
2. Einleitung und Ausgangssituation
Im Zuge des Klimawandels und der zunehmenden Ressourcenknappheit fossiler
Energieträger wird verstärkt über die Nutzung erneuerbarer Energiequellen nachgedacht. Ein Beispiel ist die energetische Nutzung von Biomasse. Hiermit ist neben der
Verwertung biogener Reststoffe oft auch der gezielte Anbau von Energiepflanzen
gemeint. Dabei gilt es zu beachten, dass der Energiepflanzenanbau nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion treten darf. Es dürfen nur überschüssige landwirtschaftliche Flächen für Energiepflanzen genutzt werden. Aus dieser „Teller-TankDiskussion“ lässt sich schließen, dass, wenn die energetische Verwendung von Biomasse in Betracht gezogen wird, sie möglichst effizient sein sollte, damit so wenig
Fläche wie möglich gebraucht wird. Welche Möglichkeiten zur energetischen Verwertung von Biomasse gibt es? Wo finden sich in diesem Zusammenhang „Ideen für
mehr Effizienz“? Welche innovative, kreative Lösung gibt es möglicherweise? Diese
und damit zusammenhängende Fragen sollen in dieser Arbeit beantwortet werden.
Zunächst werden die prominenteren „konventionellen“ Methoden, Biomasse zu verwerten, kurz genannt und erklärt.
3. Energetische Nutzung von Biomasse heute
I.
Biogas
Zur Herstellung von Biogas lässt sich Biomasse in Form von Reststoffen wie beispielsweise Gülle sowie Energiepflanzen (z. B. Mais) verwenden. Jedoch ist weder
die ganze Pflanze noch jede Pflanzensorte nutzbar, da das organische Material für
die Biogasanlage „verdaulich“ sein muss. So können alle holzartigen Pflanzen, die
Lignin beinhalten (z. B. Miscanthus), nicht verwendet werden, da die eingesetzten
Bakterien dies nicht angreifen können.2
Die nutzbare Biomasse wird in einem Behälter ohne Sauerstoffzufuhr zum Vergären
gebracht. Bei der Zersetzung der Biomasse durch anaerobe Bakterien entsteht Faulgas, welches nach einer Trocknung, Entschwefelung und CO 2-Abtrennung als Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist oder an Tankstellen verkauft werden kann.
Die meistgenutzte Alternative dazu ist die direkte Verbrennung in einem Blockheiz2
Was ist Biogas?, Enaro Biogas unter: http://www.enarobiogas.de/index.php?option=com_content&task=view&id=13&Itemid=27.
7
kraftwerk, welches Strom und Wärme produziert. Der Strom lässt sich mithilfe des
EEG in das Stromnetz einspeisen außerdem kann die Wärme standortbedingt zum
Heizen in nahe gelegenen Gebäuden genutzt werden. Nach dem „Scheffer-Konzept“
könnten Hektarerträge von mehr als 7.000 l Öl-Äquivalent in Form von Strom und
Wärme (entspricht 300,53 GJ/ha) nutzbar gemacht werden.3 Vernachlässigt man die
beim Biomassetransport und -anbau verursachten Emissionen, ist Biogasnutzung
CO2-neutral.4
II.
Rapsdiesel5
Zur Herstellung von Rapsdiesel wird Raps angebaut. Dessen Samen wird geerntet
und das enthaltene Pflanzenöl wird zu Rapsmethylester(=Rapsdiesel) weiterverarbeitet. Der in Deutschland verkaufte Dieselkraftstoff beinhaltet laut Gesetz zu mindestens 5% Biodiesels.
Der Hektarertrag liegt bei 1600l Rapsdiesel6 (entspricht 53,44 GJ/ha).
III.
Bioethanol
Zur Herstellung von Bioethanol lassen sich verschiedene Getreidesorten sowie zuckerhaltige Pflanzen (z.B. Zuckerrohr) nutzen. Je nach Konsistenz der Biomasse
müssen Enzyme bzw. Säuren eingesetzt werden, um enthaltene Stärke oder Cellulose aufzuspalten. Danach wird die Biomasse mit Hefe versetzt und fermentiert. Anschließend wird das enthaltene Ethanol konzentriert und auf eine Reinheit von
99,95% gebracht.7 Der Flächenertrag entspricht bei Zuckerrohr 6380l/ha (entspricht
134,36 GJ/ha), bei Weizen 2760l/ha Bioethanol (entspricht 58,12 GJ/ha)8. Bioethanol und Rapsdiesel sind aufgrund von Lachgasemissionen klimaschädlich.9
IV.
Biomasseverbrennung
Verwenden lässt sich jede Form von Biomasse, solange sie trocken genug zur Verbrennung ist (< 15% Wassergehalt). Dabei unterscheidet man zwischen der KoVerbrennung, bei der Biomasse in bestehenden Kohlekraftwerken mit verbrannt wird,
3
Vgl. Dipl.-Ing. Götz, Johann, GETproject, Broschüre, Verwertung nachwachsender Rohstoffe S.2.
Geht man davon aus, dass die zur Herstellung von Biogas (Biowasserstoff) benötigen Rohstoffe mithilfe von Fahrzeugen
produziert und verteilt werden, die regenerativen Kraftstoff nutzen, ist Biogas CO2-neutral. Dies ist für eine vollständig erneuerbare Energiewirtschaft anzustreben.
5
Die Begriffe Rapsöl, Rapsdiesel und Biodiesel werden äquivalent verwendet.
6
Claas Vision, Raps – die Frucht mit Riesenpotenzial, unter: http://www.claas.com/countries/generator/cl-pw/de/services/claasvision/archiv/vision21,lang=de_DE.pdf , S.5 (21.12.2009).
7
Vgl. Dr. Norbert Schmitz, Studie: Technikfolgenabschätzung Theorie und Praxis, Schwerpunkt Biogene Kraftstoffe – Kraftstoffe der Zukunft?, unter: http://www.itas.fzk.de/tatup/061/schm06a.htm (03.01.2010).
8
Vgl. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Biokraftstoffe Basisdaten Deutschland S.3
9
Biosprit heizt den Klimawandel an, netzeitung unter: http://www.netzeitung.de/spezial/klimawandel/895959.html (24.12.2009).
4
8
und der Verbrennung in speziellen Öfen in Wohn- und Wirtschaftsgebäuden. Der
Wirkungsgrad der Ko-Verbrennung ist in etwa so groß wie der der Kohleverbrennung. Biomasseverbrennung ist CO2-neutral10. Ist das Ziel die Bereitstellung von
Wärmenergie, so kann Biomasse in Öfen verbrannt werden. Wirkungsgrade werden
hier im Bereich von 80% angeben (Holzöfen).11
V.
BtL-Kraftstoff
BtL (Biomass to Liquid) ist synthetischer, aus Biomasse hergestellter Kraftstoff. Dabei lassen sich Bioabfall, Holz, Stroh sowie andere NawaRo wie Mais verwenden.
Durch ein Vergasungsverfahren wird aus der Biomasse Synthesegas hergestellt,
welches einer Gasreinigung und CO2-Abtrennung unterzogen wird. Die im Synthesegas enthaltenen Kohlenwasserstoffe werden mithilfe der FT-Synthese zu einem
flüssigen Kraftstoff zusammengefasst.12 Für die FT-Synthese wird im Synthesegas
ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid von 2:1 benötigt. Daher wird zuvor
aus einem Teil des Kohlenmonoxids über eine Shiftreaktion13 Wasserstoff hergestellt.14
Bei der Nutzung von Energiepflanzen wird ein Kraftstoffertrag von 4030l/ha (entspricht 137,1 GJ/ha) erreicht.15 Hinzuzufügen ist, dass in Fahrzeugen genutzter BtL
an den Verbrennungsmotor gebunden ist, welcher heutzutage eine reale Effizienz
von 15-20% hat.16 Ein Vorteil von BtL ist, dass die vorhandene Infrastruktur genutzt
werden kann. Bei der Nutzung von BtL entsteht laut der Firma CHOREN nur wenig
mehr CO2, als die Pflanzen zuvor gebunden haben.
4. Problemskizze und Lösungsansatz
Die konventionellen Biokraftstoffe benötigen enorme Flächen, damit Kraftstoff in ausreichender Menge produziert werden kann. Pflanzenöle und Alkohole hätten sehr
begrenzte Potentiale, schreiben auch die Autoren von “Ölwechsel”. Daher müsse
man neue Wege gehen. Sie empfehlen die Option der Vergasung von Biomasse
10
Vorausgesetzt es wird nicht mehr Biomasse geerntet als angebaut.
Holzöfen Camino-Ennigerloh unter: http://www.camino-ennigerloh.de/irondog.html (21.12.2009).
CHOREN unter: http://www.choren.com/de/biomass_to_energy/btl-produktion/ (23.12.2009).
13
Siehe Seite 12 (6).
14
Persönliche Information eines CHOREN-Mitarbeiters.
15
Vgl. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Biokraftstoffe Basisdaten Deutschland S.5
16
Vgl. pressetext austria unter: http://www.pte.at/news/071121035/die-zukunft-gehoert-dem-elektroauto/ .
11
12
9
(Wasserstoffherstellung), da dieser Weg durch vollständige Nutzung der Pflanzen
und eine breite Auswahl an Sorten ein deutlich höheres Potential biete.17
Außerdem sei die Effizienz bei der Umwandlung in Kraftstoff deutlich höher.18
Die thermochemische Wasserstoffherstellung sorgt gleichzeitig für die Voraussetzungen vielfacher Verwendungsmöglichkeiten des erzeugten Energieträgers Wasserstoff. Im Folgenden soll dieses Wasserstoffherstellungsverfahren genauer untersucht werden. Entscheidendes Vergleichskriterium zu den prominenteren Methoden
energetischer Biomassennutzung ist die Effizienz der Nutzung der Primärenergie
Biomasse und, damit zusammenhängend, das Nutzungspotential.
5. Lösungsweg - Biowasserstoff
VI.
Dampfreformierung von Biomasse zur Wasserstoffherstellung
Seitdem der Mensch das Feuer entdeckte und zum Heizen nutzte, wendet er die
thermochemische Umwandlung von Biomasse in Wasserstoff an. Jedenfalls teilweise, denn neben Kohlendioxid entsteht bei der Oxidation von Holz auch Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Wird die Sauerstoffzufuhr gedrosselt und besonders nasses
Holz verwendet, steigert man die Wasserstoffproduktion. Prinzipiell funktioniert genau so die thermochemische Konversion von Biomasse in Wasserstoff.
Zunächst soll der Prozess der Dampfreformierung („Steam-Reforming“) zur Wasserstofferzeugung beschrieben werden. Diese wird heute schon mit Erdgas, also Methan, betrieben, um den Wasserstoffbedarf der (chemischen) Industrie zu decken.
(1) CH4 + H2O  CO + 3 H2
Wasserdampf- Methan-Reaktion
Statt Erdgas kann jedoch auch Biomasse eingesetzt werden:
(2) Biomasse + H2O  CO + H2
Wasserdampf-Kohlenstoff-Reaktion
19
Biomasse und Wasserdampf reagieren in einem Vergasungsprozess endotherm zu
Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Dieses Gasgemisch heißt auch Synthesegas
und wird bei ca. 850°C hergestellt. Im Falle der Biomasse kann man auf die partielle
17
Vgl. Campell, Colin J.; Liesenborgis, Frauke; Schindler, Jörg; Zittel, Werner, Ölwechsel – Das Ende des Erdölzeitalters und
die Weichenstellung für die Zukunft, München 2007Neuausgabe, (dtv), S.255.
18
Vgl. Campell, Colin J.; Liesenborgis, Frauke; Schindler, Jörg; Zittel, Werner, a. a. O., S.261f..
19
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, Wasserstoff für alle, 2008², (Books on Demand, GmbH, Norderstedt), S.350.
10
Oxidation (Teilverbrennung) zurückgreifen, um die benötigte Energie zum Anschub
der Reaktion zu liefern. Diese Energie geht nicht verloren, sondern bleibt durch Wärmerückkopplung im Prozess.20
Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass alle Arten von Biomasse, d. h. auch biogene
Reststoffe verwendet werden können.21 Das erhöht das Potential enorm.
Bei der partiellen Oxidation entsteht Kohlenstoffmonoxid und zum Teil auch Kohlenstoffdioxid. Dies hat zur Folge, dass das Synthesegas teilweise „unerwünschtes“
CO2 beinhaltet. Daher sollte die Boudouard-Gleichgewichtsreaktion möglichst unterstützt werden.
(3) CO2 + C  2 CO
Boudouard-Gleichgewicht
Dieses Gleichgewicht stellt sich bei der Umsetzung von CO 2 mit dem Kohlenstoff der
Biomasse, bei entsprechend hoher Temperatur, zu Gunsten des Produktes (CO)
ein.22 Für die Herstellung von Wasserstoff ist es günstig, dass möglichst viel CO statt
CO2 im Synthesegas vorhanden ist, so dass die Wassergas-Reaktion (6) genutzt
werden kann. Dazu später mehr.
Ein weiterer Störeffekt für das Produktionsziel Wasserstoff ist die Entstehung von
Methan bei der Synthesegasherstellung durch folgende Reaktionen:
(4) Biomasse + H2  CH4
Methanisierung
(5) CO + 3 H2  CH4 + H2O
CO-Methanisierung
Um den Methananteil im Synthesegas möglichst gering zu halten, sollte die DampfMethan-Reaktion (1) möglichst unterstützt und die Reaktionen (4) und (5) möglichst
unterdrückt werden. Dies kann u. a. durch die Nutzung katalytischer Effekte geschehen (z. B. durch die Wahl eines methanhemmenden Bettmaterials).23 Ein anderer
entscheidender Faktor ist die Reaktortemperatur.
20
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a. .a. O., S.122f..
Vgl. Blauer Turm Herten - Wasserstoff aus biogenen Reststoffen, Ruhr Energy, unter: http://www.ruhrenergy.d
e/visitorcentre/projekte/projektdetail.php?lang=de&id=13.
22
Vgl. Atkins, Physikalische Chemie, VCH, 2.Auflage 1996.
23
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.358f..
21
11
Abbildung 1: Gleichgewichtskurven bei Kohlenstoffvergasung
Wie Abbildung 1 anschaulich zeigt, ist zur Unterstützung der gewünschten Reaktionen eine hohe Temperaturführung notwendig.
Der „Knackpunkt“ der Wasserstoffherstellung ist die Gasreinigung: Der Wirkungsgrad
hängt entscheidend hiervon ab. Bevor aus dem Synthesegas reiner Wasserstoff hergestellt werden kann, muss es von Staub, Teer und Katalysatorgiften gereinigt werden. Auch wenn das prinzipielle Know-How vorhanden ist, besteht hier, für eine möglichst optimale Synthesegasreinigung, noch Entwicklungs- und Testbedarf.24 Die H2Patent GmbH hat ein spezielles Verfahren hierzu entwickelt, worauf im Zusammenhang mit dem Prozesswirkungsgrad noch eingegangen wird. Die Asche, die bei der
Reinigung anfällt, kann als Mineraldünger auf den Acker zurückgeführt werden und
so fossile Dünger ersetzen.25 Sie kann bei Bedarf von Schwermetallen befreit werden, die metallurgisch verwertet werden können. So wird der Boden entgiftet.26
Wenn nun reiner Wasserstoff erzeugt werden soll, so führt man im Folgenden die
Wassergas-Reaktion (shift reaction) durch.
(6) CO + H2O  CO2 + H2
24
25
26
Wassergas-Reaktion
Dr. Ing. Wendel, Wolfgang, H2Patent GmbH, persönliche Auskunft.
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.94.
Anton, Michael, H2Patent GmbH, persönliche Auskunft.
12
Kohlenmonoxid und Wasserdampf reagieren mit Hilfe von Katalysatoren bei 200 –
400°C leicht exotherm zu Kohlendioxid und Wasserstoff.27
In einer Druckwechselabsorptionsanlage („Pressure Swing Absorption“, PSA) werden Kohlendioxid und Wasserstoff voneinander getrennt. Da die PSA-Anlage gewöhnlich mit einem Druck im Bereich von 20-70 bar arbeitet, kann Wasserstoff ohne
zusätzliche Verdichtung über ein Rohrleitungssystem transportiert werden.28
Shift-Reaktor und PSA-Anlage sind längst Stand der Technik.29
Abbildung 2: Thermochemische Wasserstoffherstellung
Abbildung 2 zeigt die Stufen der Wasserstoffherstellung in einer Übersicht.
Die verschiedenen verfahrenstechnischen Werkzeuge, in denen die oben beschriebenen Prozesse stattfinden, werden in einer „Wasserstofffabrik“ kombiniert. Diese
Fabriken werden eher einer Chemieanlage als einem heutigen Kraftwerk ähneln.
Statt Thermodynamik kommt die Thermochemie zum Einsatz und es geht kaum
Wärmeenergie verloren.
VII.
Autothermer Wirbelschichtvergasungsreaktor
Ein gut bekanntes Prinzip zur Durchführung der Dampfreformierung, das seit vielen
Jahren vor allem in Kohlekraftwerken verwendet wird, ist das der Wirbelschicht.
27
28
29
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.358f..
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.362.
Vgl. Wasserstoffanlagen, Air Liquide unter: http://www.airliquide.de/loesungen/produkte/equipment/erzeugung/ee-hyco.html .
13
Hierbei wirbelt ein Gas (z. B. H2O-O2-Gemisch) von unten eine Sandschicht auf. Wirbelschichtreaktoren werden heute auch genutzt, um aus möglichst trockener Biomasse ein somit H2-armes für die Verbrennung optimiertes (CO-reiches) Synthesegas herzustellen. Das ist bei der Herstellung von Wasserstoff nicht notwendig.30
Die Abbildung zeigt, wie Biomasse über eine
Schnecke in das Wirbelbett eingepresst und
dort zu Synthesegas umgesetzt wird. Ein
H2O-O2-Gasgemisch dient als Wirbelgas.
Abbildung 3: Autothermer Steam-Reformer 31
Die Wirbelschicht in solchen Reaktoren gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung, was für den gewünschten Prozess von Vorteil ist, da dadurch die Temperatur an keiner Stelle zu hoch werden kann. Es wird eine möglichst hohe Temperatur gehalten, die eine hohe H2-Ausbeute begünstigt. Biomasse hat einen niedrigen
Ascheschmelzpunkt.32
Bei
Erreichen
der
Schmelztemperatur,
käme
es
zu
Klumpenbildung wodurch die Wirbelschicht nicht mehr funktionieren würde.33 Daher
ist die Temperatur nicht frei wählbar.
Das Druckniveau der Reaktoren sollte etwa 20-70 bar betragen, dies ist vergleichbar
mit Erdgasreformern.34 Für einen hohen Druck wird zwar eine etwas stärkere Reaktorwand benötigt, aber die Reaktorleistung steigt, wodurch die relativen Investitionskosten gesenkt werden.
VIII.
Effizienz
Der Schlüssel für eine möglichst ertragreiche energetische Nutzung von Biomasse ist
ein hoher Umwandlungsgrad in Wasserstoff. Den Wirkungsgrad für autotherme Re30
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.357f..
Grafikquelle: Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.366.
Abhängig von der eingesetzten Biomasse: bei Holz setzt die Ascheerweichung bei 1225 °C ein, bei Weizen schon bei 695 °C.
33
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.360.
34
Vgl. Synthesegasherstellung, FCIO Chemische Industrie unter:
http://www.fcio.at/DE/kunststoffe.fcio.at/Wissenswertes%20über%20Kunststoff/Kunststoffverwertung/Synthesegasherstellung/S
ynthesegasherstellung.aspx .
31
32
14
aktoren errechnet der Verfahrensingenieur Karl-Heinz Tetzlaff unter Bezugnahme auf
die Erdgasgroßanlage von TOPSØE35 mit 79%36. Der Wert ist auf den Gesamtprozess, d. h. einschließlich Shift-Reaktor und PSA-Anlage, sowie auf den Heizwert bezogen.
Die Wirkungsgrade für andere heutige Erdgas-Reformer werden mit 85,2%, für Biomasse-Reformer mit 83,9% angegeben37. Der reale Wirkungsgrad für die Verwendung von Biomasse liegt also 83,9% - 85,2% = 1,3% unter dem für Erdgas. Daher
kann man von einem Wirkungsgrad für Wasserstofffabriken mit autothermen Wirbelschichtreaktoren auf der Basis Biomasse von 79% - 1,3% = 77,7% ausgehen.
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geht von einem Wirkungsgrad
im Bereich von 69% bis 72% für Vergasungsanlagen aus, die aus Biomasse Wasserstoff herstellen. Allerdings ist hier zu berücksichtigen, dass von sehr kleinen Anlagen (25 MWth) ausgegangen wird.38
Laut dem ForschungsVerbundSonnenenergie (FVS) beträgt die Wasserstoffausbeute 75%.39
Zu beachten ist bei allen Wirkungsgradangaben die Zeitabhängigkeit. Das US Department of Energy gibt im Report für Tankstellen-Steam-Reformer auf der Basis
Erdgas im Jahr 2002 folgende Entwicklung an: 2001: 80%; 2005: 82%; 2010: 85%. 40
Man kann also davon ausgehen, dass der Wirkungsgrad auch bei Anlagen zur Wasserstoffproduktion im Laufe der Entwicklung und durch die Erfahrungen bei Pilotprojekten noch weiter steigen wird.
Der Wirkungsgrad steigt außerdem mit der Größe der Anlage, da die einzelnen technischen Apparaturen effizienter arbeiten. Durch die Nutzung von Abwärme aus anderen Prozessen für die Kohlenstoff-Wasserdampf-Reaktion, z. B. von Hochtemperaturbrennstoffzellen (Solid Oxid Fuel Cell), kann man ebenfalls den Wirkungsgrad
verbessern. Die elektrische Energie der Brennstoffzelle kann für die Nebenapparaturen verwendet werden, z. B. für die Kompression von reinem Sauerstoff aus der Luft.
Eine weitere Option ist die Modifikation der Gasreinigung, so dass möglichst wenige
Teerstoffe entstehen. Karl-Heinz Tetzlaff dazu: „Gereinigtes Synthesegas erleichtert
35
Vgl. S. Winter Madsen, Large Scale Hydrogen Production using TOPSØE Reforming Technology, NPRA Annual Meeting,
March 15-17, 1998, San Francisco, California.
36
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.365.
37
Vgl. New and Advanced Processes for Biomass Conversation, H. den Uil, ECN report No. ECN-RX-99-007.
38
Vgl. Perspektiven solarthermischer Verfahren zur Wasserstofferzeugung (S. 33f.), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Stuttgart, Januar 2008.
39
Vgl. Forschungsstrategie für Energiegewinnung aus Biomasse, Pressinformation, 6. Februar 2006, unter: http://www.fvsonnenergie.de/fileadmin/presseinformation/07_02_06_biomasse_01.pdf .
40
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.368.
15
die Wärmerückgewinnung enorm, denn der Wirkungsgrad ließe sich auf über 95%
steigern, wenn alle fühlbare Wärme aus dem Synthesegasstrom wieder in den Prozess eingekoppelt werden könnte.“ 41
Die H2Patent GmbH42 hat ein entsprechendes Verfahren entwickelt, bei dem die
Gasreinigung wie folgt funktioniert:
Synthesegas hat Teergehalte von bis zu 100 mg/m³. Das verklebt jeden Wärmetauscher. In einer dänischen Anlage wurden bereits 1-5 mg/m³ Teer erreicht, diese
Werte genügen den Ansprüchen der Wärmerückführung. Nach dem Verfahren der
H2Patent GmbH geschieht die Teervermeidung nicht durch eine Gaswäsche nach
der Reformierung, sondern durch primäre Maßnahmen, die die Bildung von Teerstoffen schon im Vergasungsprozess verhindern, bzw. diese cracken sollen. Die Umsetzung der Biomasse erfolgt dazu in zwei Stufen. In der 1. Stufe, der Pyrolyse, bei ca.
600C° entsteht ein Synthesegas welches noch Methan und Teerstoffe enthält. Diese
werden in der 2. Stufe, in der Wirbelschicht bei 900C° aufgespalten. Dazu soll ein
Bett aus glühendem Kohlenstoff verwendet werden, welches sich im Betrieb auf der
Wirbelschicht bildet. Ist ein nahezu teerfreies Synthesegas vorhanden, kann die
Wärme recycelt werden.
Der Teergehalt sollte aber durch sekundäre Maßnahmen (z. B. über einen Filter)
nach dem Reformer auf etwa 0,1 mg/m³ gesenkt werden, damit Teere nicht bei der
Gasaufarbeitung und Reinigung stören und Anlagenteile (z. B. die PSA-Anlage)
durch höhere Standzeiten ökonomischer arbeiten.43
Die H2Patent GmbH gibt einen Gesamtsystemwirkungsgrad auf den Heizwert bezogen von 93% an. 44
41
Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.370.
H2PatentGmbH unter: http://www.h2patent.eu/index.php .
Die Verfahrensbeschreibung bezieht sich auf persönliche Auskünfte von: Michael Anton, Hayo Sieckmann, Karl-Heinz Tetzlaff, Wolfgang Wendel, alle H2Patent GmbH.
44
Vgl. Wendel, Wolfgang, Biomass based Hydrogen Economy (S. 7), H2-Patent GmbH, Bad Iburg, Germany, verfügbar unter:
http://www.h2patent.eu/H2_Wendel_Hydrogen.pdf.
42
43
16
Abbildung 4: Flow Sheet der H2Patent GmbH
Unter Berücksichtigung des heutigen Stands der Entwicklung und der dazu verschiedenen ermittelten Daten halten die Autoren dieser Arbeit den Wirkungsgrad von 93%
für sehr hoch angesetzt. Zu beachten ist außerdem, dass auf den Gesamtprozess
gesehen auch die Energieverluste für den Transport, sowie den Anbau der Biomasse
mit eingerechnet werden müssen. Diese Faktoren sind in Wirkungsgradangaben
nicht enthalten.
Lerneffekte und Erfahrungswerte sind bei technischen Anlagen jedoch von hoher
Bedeutung. Nach dem Bau einiger Großanlagen wird sicher ein Wirkungsgrad von
ca. 90% erreicht werden.
IX.
Potential
Energiepflanzen
können
im
„Energieökosystem“
in
Form
von
einer
Zweikulturennutzung nach Prof. Konrad Scheffer angebaut werden. Das verspricht
nicht nur hohe Erträge, sondern schneidet im Vergleich zu allen anderen Methoden
17
auch am ökologischsten ab.45 Der Vorteil des Vergasungsverfahrens liegt darin, dass
die ganze Pflanze genutzt werden kann. Die Sortenauswahl ist nicht derart eingeschränkt wie bei Biogas und die meisten biogenen Reststoffe, die z. B. bei der Ernte
auftreten und tlw. in keinen Statistiken erfasst werden, können genutzt werden.
Die Biomasseerträge liegen schon heute bei ca. 30t TM/ha pro Jahr und werden in
Zukunft noch deutlich steigen.46 Die KWS Saat AG gibt als Ziel von Züchtungen eine
Verdopplung der Erträge innerhalb von 2005 bis 2015 an.
47
Laut einer Studie des BMU könnten im Jahre 2030 auf 4,4 Mio. Hektar Energiepflanzen angebaut werden, ohne die Versorgung mit Nahrungsmitteln zu gefährden48. Auf
dieser Fläche lassen sich bei einem Heizwert der Biomasse von 17,5 GJ/t 2310 PJ
Bioenergie ernten. Dies entspricht 2310 PJ * 0,9 = 2079 PJ Wasserstoff.
An energetisch nutzbaren, biogenen Reststoffen stehen heute ca. 2096 PJ zur Verfügung49 50 51, d. h. 2096 PJ * 0,9 = 1886,4 PJ Wasserstoff.
Summa summarum wären dementsprechend 3965,4 PJ Wasserstoff für das Jahr
2030 zu erwarten. Damit könnte sowohl der gesamte Kraftstoff- als auch Erdgasbedarf der BRD durch Biowasserstoff substituiert werden!
Abbildung 5: Biowasserstoff statt Öl und Gas 52
45
Vgl. Scheffer, Konrad; Die Bedeutung einer integralen Landwirtschaft; EUROSOLAR-Konferenz; Wie wird der Landwirt zum
Energie- und Rohstoffwirt? ; Bonn Bad Godesberg 31.-31. Januar 2003; Konferenzband, Seite 51-57.
46
Vgl. Scheffer, Konrad; a. a. O..
47
Die faszinierenden Möglichkeiten der Energiepflanzenzüchtung_Chance für mehr Ökologie und Ökonomie in der Landwirtschaft Schmidt, Walter (KWS),unter: http://www.ikzm-d.de/addons/pdfs/136_Z_chtung.pdf (2005).
48
Vgl. Der volle Durchblick in Sachen Bioenergie, Agentur für Erneuerbare Energien (2008) unter: http://www.unendlich-vielenergie.de/uploads/media/Der_volle_Durchblick_in_Sachen_Bioenergie.pdf, S.10, (04.12.2009).
49
Vgl. TA-Datenbank-Nachrichten, Nr.1, 9. Jahrgang, März 2000.
50
Vgl. Welt im Wandel: Energiewende zur Nachhaltigkeit; WBGU vom 21.03.2003, S. 62.
51
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S.436.
52
Selbst erstellte Tabelle, Erdgas und H2 können etwa gleich effizient zum Heizen genutzt werden, Datengrundlage für Erdgasund Kraftstoffbedarf aus: Energiebilanz der Bundesrepublik Deutschland 2007, AG Energiebilanzen unter: http://www.agenergiebilanzen.de/viewpage.php?i dpage=63 ; Verdichtungsverluste: Twenty Hydrogen Myths, Lovins, Amory B., CEO Rocky
Mountain Institute (2003) unter: http://www.rmi.org/cms/Download.aspx?id=1360&file=E03-05_20HydrogenMyths.pdf , S.20; der
Effizienzfaktor ergibt sich durch den Unterschied der Wirkungsgrade eines Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor bzw. BZ.
18
Abbildung 5 zeigt ein mögliches Szenario für die Nutzung von Wasserstoff in einer
erneuerbaren Energiewirtschaft.53
Der Hektarertrag von Wasserstoff beträgt 583,33 GJ.54
X.
Wirtschaftlichkeit
Die Gestehungskosten des durch die Biomassevergasung gewonnenen Wasserstoffes werden nach „ […] europäischen Studien (EC 2006 und EUCAR 2007) […] mit
3,2 bis 4,7 €ct/kWh H2 für zentrale Produktionsanlagen angegeben […].“
55
Dieser
Preis ist konkurrenzfähig zu der heute meistgenutzten Wasserstoffherstellung aus
Erdgas. Die spezifischen Investitionskosten einer biomassebasierten Wasserstofffabrik gibt der WBGU zu 500€/kW für eine Anlagengröße von 40 MW H2 an.56 Das ist im
Vergleich zu Erdgasanlagen (350€/kW) noch recht teuer. Diese Kosten werden aber
bei Großanlagen (500 MW H2, 185€/kW57) niedriger liegen und durch Lerneffekte u.
a. bei der Serienfertigung (Kostendegression bei Verdopplung der Fertigungsmenge
von Steamreformern 12% 58) solcher Anlagen weiter sinken.
XI.
Referenzanlage in Güssing
Tatsächlich gibt es schon Anlagen, die jedenfalls so ähnlich wie eine Wasserstofffabrik arbeiten. Als Beispiel hierfür lässt sich die (drucklose) Biomassevergasungsanlage im österreichischen Güssing mit ca. 4.000 Einwohnern nennen. Dort wird aus Biomasse ein Synthesegas hergestellt und über einen Motor verstromt. Die anfallende
Abwärme wird über ein Nahwärmenetz zum Heizen genutzt. Die Gemeinde kann
sich somit autark mit Energie versorgen. Als Biomasse genutzt wird weniger als 40%
des jährlichen Holzneuzuwachses aus den umliegenden Wäldern. In einer Filmdokumentation zu Güssing wird dargestellt, dass ausreichend Biomasse zur Verfügung
steht, um in Österreich die komplette Substituierung von Erdgas durch Biogas zu ermöglichen. 59
Die Güssinger Vergasungsanlage ließe sich zu einer Wasserstofffabrik erweitern,
indem ein Shiftreaktor und eine PSA-Anlage hinter den Reformer geschaltet werden.
53
Unberücksichtigt ist hierbei, dass ein Teil des Wasserstoffs zwischengespeichert werden muss, wofür zusätzlich Energie
benötigt wird. Der überschüssige Wasserstoff ist hierfür aber mehr als ausreichend. Auf die Speicherung von Wasserstoff wird
später noch eingegangen.
54
30 t/ha *17,5 GJ/t * 0,9 (Wirkungsgrad Bio-H2-Herstellung) = 583,33 GJ.
55
Perspektiven solarthermischer Verfahren zur Wasserstofferzeugung, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.,
(Stuttgart, Jan. 2008), S.36.
56
Welt im Wandel - Energiewende zur Nachhaltigkeit, WBGU unter: http://www.wbgu.de/wbgu_jg2003.pdf, S. 86 (März 2003).
57
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S. 445f.
58
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S. 446.
59
Vgl. ATV, Reportage zu Güssing, unter: http://atv.at/contentset/17158/97047 (11.12.2009).
19
Durch Druckerhöhung im Vergasungsreaktor auf 25 bar ließe sich die Leistung von
8MW th auf 200MWWasserstoff steigern, ohne dass sich die Anlage vergrößern würde.
Die Wandstärke des Reaktors müsste allerdings etwas erhöht werden.
XII.
Möglichkeiten der Wasserstoffnutzung
Biowasserstoff kann in einer für die Zukunft von verschiedenen Organisationen
(IPHE, NHA, DWV etc.) forcierten Wasserstoffwirtschaft (z. B. in Island geplant) einen Teil des Wasserstoffbedarfes decken. Hierbei gibt es jedoch recht unterschiedliche Vorstellungen von einer „Wasserstoffwirtschaft“ und noch kontroverser wird das
Potential von Biomasse diskutiert. Primär wird meist an die Wasserstofferzeugung
aus Elektrolyse (Wirkungsgrad ca. 80%60) gedacht, um erneuerbare Energien speicherbar und damit grundlastfähig zu machen.
a) Wasserstoff als Energiespeicher
Wasserstoff lässt sich wie Erdgas in unterirdischen Salzkavernen und ehemaligen
Gas- oder Öllagern speichern.
Speicherbare Energie für Modellspeicher mit je 3.000.000 m³ Volumen
Pumpspeicher, Potential weitgehend ausgeschöpft
2 GWh
adiabater Druckluftspeicher (Salzkaverne), Moderne Technik
8 GWh
Wasserstoffspeicher (Salzkaverne)
1.230 GWh (Heizwert)
Abbildung 6: Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen
61
Abbildung 6 zeigt, dass die Wasserstoffspeicherung, im Vergleich mit etablierten
Energiespeichern, potentialbezogen überlegen ist. Für die Speicherung wird H2 auf
ein Druckniveau im Bereich von 200 bar verdichtet. Daher muss von ca. 9% Energieverlusten ausgegangen werden.62 Wasserstoff lässt sich wie Erdgas über ein Rohrleitungssystem transportieren. Für kurzzeitige Schwankungen lässt sich dieses
Rohrnetz auch als Speicher nutzen. Die zu erwartenden Energieverluste von 0,035%
sind vernachlässigbar. 63
60
Dr. Smolinka, Tom, Wasserstoff aus Elektrolyse – Ein technologischer Vergleich der alkalischen und PEM-Wasser-elektrolyse
Fraunhofer , Institut Solare Energiesysteme unter: http://www.wbzu.de/home/070521-smolinka.pdf , S. 24, (24.12.2009).
61
Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots
F. Crotogino und R. Hamelmann KBB Underground Technologies GmbH, Baumschulenallee 16, D-30625 Hannover, und Kompetenzzentrum für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie,
Fachhochschule Lübeck, Mönkhofer Weg 239, 23562 Lübeck.
62
Angabe für 350 bar, min. 9% Verluste nach: Twenty Hydrogen Myths, Lovins, Amory B., CEO Rocky Mountain Institute (2003)
unter: http://www.rmi.org/cms/Download.aspx?id=1360&file=E03-05_20HydrogenMyths.pdf , S.20.
63
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S. 342.
20
Bei Biowasserstoff kommt der Vorteil der als Silage speicherbaren Biomasse hinzu,
wobei hier ca. 10% Verluste mit einberechnet werden müssen.64
b) Wasserstoff als Zwischenspeichermedium für Strom
In diesem Szenario wird Wasserstoff als zentraler Zwischenspeicher für Strom genutzt. Temporär überschüssig erzeugter Strom wird mittels Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung genutzt. In Spitzenlastzeiten wird dieser Wasserstoff dann dezentral
in Brennstoffzellen rückverstromt, die als virtuelles Kraftwerk in Haushalten installiert
und zentral gesteuert werden. Das setzt ein H2-Rohrleitungssystem voraus.
Energieeffizienzkette für überschüssigen Strom:
0,8 (Elektrolyse
65
) * 0,91 (H2-Speicherung
66
) * 1,16 (BZ
67
) * 0,954 (4,6% Verluste des Stromnetz
68
)
= 80% (Strom und Wärme).
c) Verstromung in Motor-BHKW
In
diesem
Verwendungsszenario
wird
Wasserstoff
in
dezentralen
Motor-
Blockheizkraftwerken in Strom und Wärme umgewandelt wird.
Der elektrische Wirkungsgrad eines Motor-BHKW liegt bei etwa 28%.69
Eine solche Anlage versorgt beispielsweise eine Schule in Bottrop. Der benötigte
Wasserstoff wird im Rahmen eines Forschungsprojekts der Emschergenossenschaft
über Steam-Reforming aus dem Faulgas der Kläranlage Bottrop hergestellt. Das
BHKW produziert Strom für die Schule und mithilfe der Abwärme wird das Schulschwimmbad beheizt. Als Speicher für den Wasserstoff genügt die Rohrleitung von
der Kläranlage bis zur Schule. 70
Durch die Nutzung der Abwärme erzielt man einen Wirkungsgrad von über 85%
67
,
bezogen auf den Heizwert des eingesetzten Wasserstoffs.
Vorteil des Motors ist, dass der Wasserstoff keine besonders hohe Reinheit aufweisen muss. In einer flächendeckenden Umsetzung dieser Versorgungsoption, würde
64
Optimierung der Beschaffungs- und Distributionslogistik bei großen Biogasanlagen, Universität für Bodenkultur Wein unter:
http://www.blt.bmlfuw.gv.at/vero/veroeff/1080_Endbericht_Logistik_ Biogasanlagen.pdf , S. 75 (21.12.2009).
65
Für die Berechnung der Gesamteffizienz wird der schlechtere Wirkungsgrad der Elektrolyse zu Grunde gelegt, mit BioWasserstoff ist die Effizienz etwas höher, allerdings ist schwierig abzuschätzen welchen Anteil Bio-Wasserstoff am Gesamtwasserstoffbedarf decken kann. Daher wurde entschieden hier vorsichtig zu rechnen.
66
Zu berücksichtigen ist, dass vermutlich niemals der gesamte erzeugte Wasserstoff in einer Kaverne unter entsprechendem
Druck zwischengespeichert werden muss. Weil der Anteil des zu speichernden Wasserstoffs, jedoch schwer zu ermitteln ist,
wird hier vereinfacht davon ausgegangen, dass der gesamte Wasserstoff zwischengespeichert wird.
67
Hier wird der produzierte Strom und die Wärme der Brennstoffzelle genutzt. Das Zustandekommen des Wirkungsgrads der
Brennstoffzellenbrennwertheizung wird im Abschnitt e) auf S. 22 erläutert.
68
Berechnet nach Energiebilanz der Bundesrepublik Deutschland 2007, AG Energiebilanzen unter: http://www.agenergiebilanzen.de/viewpage.php?idpage=63 .
69
Bezug auf Anlage in Güssing, Modell Güssing, EEE unter: http://www.eeeinfo.net/cms/netautor/napro4/appl/na_professional/parse.php?mlay_id=2500&xmlval_ID_DOC%5B0%5D=1000029 (24.12.09).
70
Persönliche Besichtigung der Anlagen in Bottrop durch die Autoren, Präsentation und Führung durch Prof. Markus Schröder,
Ing. Büro, Tuttahs und Meyer.
21
beispielsweise eine Siedlung mit Strom aus einem BHKW versorgt werden und die
Abwärme via Nahwärmenetz eingebunden werden. Nach diesem Prinzip funktioniert
auch die Energieversorgung in Güssing71 allerdings mit Synthesegas statt Wasserstoff.
d) Verstromung in Brennstoffzellen-BHKW
Ein Brennstoffzellen-BHKW erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 60%72
und ist insofern dem Motor-BHKW überlegen. BZ besitzen jedoch eine hohe Anfälligkeit gegenüber Gasverunreinigungen. Langfristig denkt man in Bottrop an den Einsatz eines BZ-BHWKs. Kombiniert man ein Brennstoffzellen-BHKW mit einem Nahwärmenetz73, wird ein Wirkungsgrad von ca. 85%74 erreicht.
Energieeffizienzkette für Wärme und Strom aus Wasserstoff:
0,8 (Elektrolyse
65
) * 0,91 (H2-Speicherung
66
) * 0,85 (BHKW (Brennstoffzelle oder Motor)) = 62%.
e) Brennstoffzellenheizung in Kombination mit Wärmepumpe
Eine weitere Möglichkeit wäre, Brennstoffzellen extrem dezentral in jedem Haushalt
zu installieren. Weder ein Nahwärmenetz noch ein Hochspannungsstromnetz werden
in diesem Fall benötigt.
Der Wasserstoff könnte über das heutige Erdgasnetz zum Verbraucher transportiert
werden.75 Übergangsweise kann auch zu mindestens 5,0% Wasserstoff zum Erdgas
beigemischt werden.76
Eine Brennstoffzellenbrennwertheizung stellt in etwa gleichem Verhältnis Strom und
Wärme bereit und besitzt einen Wirkungsgrad von bis zu 116%. Der Wirkungsgrad
von über 100% kommt durch die Nutzung des Brennwertes aber der Berechnung
bezogen auf den Heizwert zustande.77 Da im Haushalt mehr als 80% der benötigten
Energie Wärmeenergie ist, muss überschüssiger Strom in Wärme umgewandelt werden. Strom kann nahezu verlustfrei über das Tauchsiederprinzip in Wärme umgewandelt werden. Es bietet sich aber hier insbesondere die Nutzung von Wärmepumpen an, die ein Vielfaches ihres Eigenverbauchs an Strom in Form von Wärmeener-
71
Siehe oben: Referenzanlage in Güssing. S.19f .
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S. 152.
73
Vgl. Rifkin, Jeremy, Die H2-Revolution (2006).
74
Schätzungsweise vergleichbar mit Motor-BHKW.
75
Abschätzung der Möglichkeit einer Wasserstoff-Diffusion durch Gasleitungen aus Gußeisen, Wolf, Werner (FGR), unter:
http://81.169.135.155/cms_fgr_2/frontend/upload/publikationen/fgr10-s55.pdf .
76
energie | wasser-praxis 12/2009 – DVGW Jahresrevue, S.7.
77
Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, a.a.O., S. 77.
72
22
gie aus der Umgebung gewinnen (tlw. Faktor 3,5; spezifische Jahresheizzahl). Bei
einem Wärmebedarf an der Gesamtenergie im Haushalt von 80% und unter der Voraussetzung, dass 50% der Haushalte Wärmepumpen nutzen, ließe sich die theoretische Effizienz der Hausenergiezentrale mit Brennstoffzellenheizung und Wärmepumpe auf durchschnittlich 129,15% steigern.78
Die Gesamteffizienz des Systems berechnet sich wie folgt:
0,8 (Elektrolyse
65
) * 0,91 (H2-Speicherung
66
) * 1,29 (BZ-Heizung+Wärmepumpe) = 94%
Im Vergleich dazu liegt die Gesamteffizienz des heutigen Systems bei ca. 34,1%79.
Dies bedeutet also eine Effizienzsteigerung um den Faktor drei.
Durch vollständige Nutzung der Abwärme der Brennstoffzelle und die Einbindung
von Wärmepumpen ist diese dezentrale Wasserstoffnutzung besonders effizient.
6. Ergebnis
XIII.
Vergleich von Biowasserstoff und konventioneller Biomassenutzung
Es wurde festgestellt, dass Biowasserstoff nahezu eine Verdopplung (Faktor 1,94)
der Flächeneffizienz aufweist gegenüber Biogas, das im Vergleich unter den konventionellen biogenen Energieträgern die höchste Hektarausbeute besitzt.
Das Potential von Biowasserstoff ist durch die mögliche Nutzung fast jeder (grünen)
Biomasse vergleichsweise groß. Biowasserstoff ist klimaneutral, wenn nicht sogar
klimapositiv!80 Wasserstoff ist ein vielfältig nutzbarer Energieträger und via Brennstoffzelle bzw. Wärmepumpe sehr effizient verwertbar. Die zugleich einfachste und
effizienteste Nutzung ist wie bei Erdgas die direkte Verbrennung z. B. zum Heizen.81
Im Verkehr ist Wasserstoff nicht an die ineffiziente Technologie des Verbrennungsmotors gebunden, wie z. B. BtL, dessen Herstellung Wasserstoff benötigt, der mit
höherer Effizienz direkt verwertet werden kann.
78
Rechnung: (1,16*0,8-0,56)*(2/3,5)*0,5+1,16 = 129,15% .
Energieversorgung in Deutschland – Bestandsaufnahme, Prof. Dr. Wiederuh, Eckhardt, FH Gießen--Friedberg unter:
http://www.succidia.de/downloads/get.html?file=/archiv/suc_835.pdf&name=ETA0207_Wiederuh%2CE._E
nergieversorgung_in_Deutschland.pdf , S.1 (21.12.2009).
80
Das bei der Bio-Wasserstoff-Herstellung anfallende CO2 kann ähnliche wie bei Kohle über CCS im Untergrund gespeichert
und so der Atmosphäre entzogen werden. Dies ist auch bei Biogas möglich. Im Zuge eines stärker werdenden Klimawandels,
bei dem eine Ursachenbekämpfung alleine nicht ausreichend ist, sollte verstärkt über diese Option, „den Klimawandel rückgängig“ zu machen, nachgedacht werden.
81
Abgesehen von Wärmepumpennutzung kein realer „Wirkungsgrad“ angeben lässt.
79
23
Abbildung 7: Energieverbrauch im Vergleich 82
Abbildung 7 zeigt die deutlich höhere Effizienz der Nutzung von Wasserstoff im Verkehr und die Verschwendung von Primärenergie im Falle der BtL-Nutzung. Ein Nachteil von Wasserstoff gegenüber BtL ist jedoch, dass die vorhandene Infrastruktur
nicht genutzt werden kann. Die Wasserstoffspeicherung in einem Drucktank oder
flüssig in tiefkaltem Zustand ist zudem aufwendiger als bei flüssigen Kraftstoffen. Die
breite Nutzung von Brennstoffzellen (und Wärmepumpen) bedeutet erhebliche Investitionskosten. Strebt man an, die heutige Nutzung von Biomasse durch die Produktion von Biowasserstoff zu substituieren, würde dies einen großen Strukturwandel bedeuteten. Ein schneller Umstieg auf Biowasserstoff dürfte allein durch die gewünschte Amortisierung von z. B. Biogasanlagen ausgebremst werden. Außerdem gibt es
da noch ein Problem mit den Langzeitlieferverträgen für Erdgas…
XIV.
Fazit und Ausblick
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Nutzung von Biowasserstoff insbesondere aufgrund der hohen Herstellungseffizienz und dem damit verbundenen Potential, wie im fünften Teil dieser Arbeit dargestellt, wünschenswert ist. Auch wenn
Biowasserstoff aufgrund beschränkten Biomassepotentials möglicherweise nur einen
kleinen Teil der Energieversorgung decken kann, so sollte zumindest die verfügbare
Biomasse auf diesem höchsteffizienten Weg genutzt werden. Damit es dazu kommen kann, werden innovative Investoren benötigt, die zunächst ein Pilotprojekt in
Angriff nehmen.
82
Tetzlaff, Karl Heinz, unter: http://bio-wasserstoff.de/h2/Brennstoffzellen/Mobil/mobil.html (24.12.2009), Benzin- und BtLVerbrauch nach einer GM-Studie.
24
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